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电子技术基础知识 授课 永安市技校陈昌初 维修电工培训 1 2 本征半导体 不加杂质的纯净半导体晶体 如本征硅或本征锗 根据掺杂的物质不同 可分两种 3 杂质半导体 为了提高半导体的导电性能 在本征半导体 4价 中掺入硼或磷等杂质所形成的半导体 1 P型半导体 本征硅 或锗 中掺入少量硼元素 3价 所形成的半导体 如P型硅 多数载流子为空穴 少数载流子为电子 一 PN结 1 半导体 导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质 如硅 Si 或锗 Ge 半导体 2 2 N型半导体 在本征硅 或锗 中掺入少量磷元素 5价 所形成的半导体 如N型硅 其中 多数载流子为电子 少数载流子为空穴 3 4 PN结 N型和P型半导体之间的特殊薄层叫做PN结 PN结是各种半导体器件的核心 如图1所示 P区接电源正极 N区接电源负极 PN结导通 反之 PN结截止 PN结具有单向导电特性 即 将P型半导体和N型半导体使用特殊工艺连在一起 形成PN结 外加正向电压 也叫正向偏置 外加电场与内电场方向相反 内电场削弱 扩散运动大大超过漂移运动 N区电子不断扩散到P区 P区空穴不断扩散到N区 形成较大的正向电流 这时称PN结处于导通状态 4 外加反向电压 也叫反向偏置 外加电场与内电场方向相同 增强了内电场 多子扩散难以进行 少子在电场作用下形成反向电流 因为是少子漂移运动产生的 反向电流很小 这时称PN结处于截止状态 5 6 1外形 由密封的管体和两条正 负电极引线所组成 管体外壳的标记通常表示正极 如图2 a 所示 2符号 如图 其中 三角形 正极 竖杠 负极 V 二极管的文字符号 7 3 晶体二极管的单向导电性 1 正极电位 负极电位 二极管导通 2 正极电位 负极电位 二极管截止 即二极管正偏导通 反偏截止 这一导电特性称为二极管的单向导电性 8 例1 图3所示电路中 当开关S闭合后 H1 H2两个指示灯 哪一个可能发光 图3 例1 电路图 解由电路图可知 开关S闭合后 只有二极管V1正极电位高于负极电位 即处于正向导通状态 所以H1指示灯发光 9 4二极管的伏安特性 1 定义 二极管两端的电压和流过的电流之间的关系曲线叫作二极管的伏安特性 10 5 特点 结论 正偏时电阻小 具有非线性 导通后V两端电压基本恒定 VF VT时 V导通 IF急剧增大 正向电压VF小于门坎电压VT时 二极管V截止 正向电流IF 0 其中 门槛电压 1 正向特性 11 正向特性外加正向电压较小时 外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力 PN结仍处于截止状态 正向电压大于死区电压后 正向电流随着正向电压增大迅速上升 通常死区电压硅管约为0 5V 锗管约为0 2V 导通电压 UD on 0 6 0 8 V 硅管0 7V 0 1 0 3 V 锗管0 3V 12 2 反向特性 结论 反偏电阻大 存在电击穿现象 VR VRM时 IR剧增 此现象称为反向电击穿 对应的电压VRM称为反向击穿电压 反向电压VR VRM 反向击穿电压 时 反向电流IR很小 且近似为常数 称为反向饱和电流 13 反向特性外加反向电压时 PN结处于截止状态 反向电流很小 反向电压大于击穿电压时 反向电流急剧增加 反向击穿类型电击穿 PN结未损坏 断电即恢复 热击穿 PN结烧毁 14 1 最大整流电流IFM 指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压URM 二极管运行时允许承受的最大反向电压 3 最大反向电流IRM 指管子未击穿时的反向电流 其值越小 则管子的单向导电性越好 4 最高工作频率fm 主要取决于PN结结电容的大小 6 二极管的主要参数 15 8二极管的简单测试 图4万用表检测二极管 将红 黑表笔分别接二极管两端 所测电阻小时 黑表笔接触处为正极 红表笔接触处为负极 1 判别正负极性 用万用表检测二极管如图4所示 16 图5万用表检测二极管 万用表测试条件 R 1k 2 判别好坏 3 若正向电阻约几千欧姆 反向电阻非常大 二极管正常 2 若正反向电阻非常大 二极管开路 1 若正反向电阻均为零 二极管短路 17 9二极管的分类 3 按用途 如图6所示 2 按PN结面积 点接触型 电流小 高频应用 面接触型 电流大 用于整流 1 按材料分 硅管 锗管 图6二极管图形符号 18 三 晶体三极管 晶体三极管 是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件 特点 管内有两种载流子参与导电 特点 有三个电极 故称三极管 图7三极管外形 1三极管的结构 1 三极管的外形 19 2 三极管的结构 图8三极管的结构图 工艺要求 发射区掺杂浓度较大 基区很薄且掺杂最少 集电区比发射区体积大且掺杂少 特点 有三个区 发射区 基区 集电区 两个PN结 发射结 BE结 集电结 BC结 三个电极 发射极e E 基极b B 和集电极c 两种类型 PNP型管和NPN型管 20 箭头 表示发射结加正向电压时的电流方向 文字符号 V 图9三极管符号 2 晶体三极管的符号 21 3 三极管的电流放大作用 1 三极管的工作电压三极管实现电流放大的外部偏置条件 发射结正偏 集电结反偏 此时 各电极电位之间的关系是 NPN型UC UB UEPNP型UC UB UE 22 23 2 电流分配关系图3 3是NPN管放大实验电路 三极管各电极电流分配关系是 IE IB IC由于基极电流很小 因而IE IC 24 3 三极管的电流放大作用当IB有一微小变化时 能引起IC较大的变化 这种现象称为三极管的电流放大作用 电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小 达到控制IC的目的 而并不是真正把微小电流放大了 因此称三极管为电流控制型器件 电流放大作用 电流放大系数 IC IB 25 4 三极管的特性曲线 1 输入特性曲线 集射极之间的电压UCE一定时 发射结电压UBE与基极电流IB之间的关系曲线 26 5 VBE与IB成非线性关系 2 当VBE很小时 IB等于零 三极管处于截止状态 3 当VBE大于门槛电压 硅管约0 5V 锗管约0 2V 时 IB逐渐增大 三极管开始导通 4 三极管导通后 VBE基本不变 硅管约为0 7V 锗管约为0 3V 称为三极管的导通电压 共发射极输入特性曲线 27 2 晶体三极管的输出特性曲线 基极电流一定时 集 射极之间的电压与集电极电流的关系曲线 28 输出特性曲线可分为三个工作区 1 截止区 条件 发射结 集电结反偏或两端电压为零 三极管输出特性曲线中 IB 0的输出特性曲线以下 横轴以上的区域称为截止区 其特点是 各电极电流很小 相当于一个断开的开关 在放大状态 当IB一定时 IC不随VCE变化 即放大状态的三极管具有恒流特性 2 放大区 条件 发射结正偏 集电结反偏特点 IC受IB控制 29 输出特性曲线中 截止区以上平坦段组成的区域称为放大区 此时IC受控于IB 同时IC与UCE基本无关 可近似看成恒流 此区内三极管具有电流放大作用 输出特性曲线中 UCE UBE的区域 即曲线的上升段组成的区域称为饱和区 饱和时的UCE称为饱和压降 用UCES表示 UCES很小 一般约为0 3V 工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关 没有电流放大作用 3 饱和区 条件 发射结和集电结均为正偏 30 5 三极管的主要参数1 电流放大系数电流放大系数是反映三极管电流放大能力的基本参数 主要有共发射极电路交流电流放大系数 和共发射极电路直流电流放大系数hFE 2 极间反向电流 1 ICBO是指发射极开路时从集电极流到基极的反向电流 如图所示 31 图极间反向电流 32 33 管子基极开路时 集电极和发射极之间的最大允许电压 当电压越过此值时 管子将发生电压击穿 若电击穿导致热击穿会损坏管子 当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时 管子性能变坏或烧毁 2 集电极 发射极间击穿电压U BR CEO 3 集电极最大允许功耗PCM 6 三极管的识别和简单测试 34 表常用三极管管脚排列 35 判别硅管和锗管的测试电路 7三极管的简单测试 1 硅管或锗管的判别 36 将万用表设置在或挡 用黑表笔和任一管脚相接 假设它是基极b 红表笔分别和另外两个管脚相接 如果测得两个阻值都很小 则黑表笔所连接的就是基极 而且是NPN型的管子 如图11 a 所示 如果按上述方法测得的结果均为高阻值 则黑表笔所连接的是PNP管的基极 如图11 b 所示 2 NPN管型和PNP管型的判断 图11基极b的判断 37 首先确定三极管的基极和管型 然后采用估测 值的方法判断c e极 方法是先假定一个待定电极为集电极 另一个假定为发射极 接入电路 记下欧姆表的摆动幅度 然后再把两个待定电极对调一下接入电路 并记下欧姆表的摆动幅度 摆动幅度大的一次 黑表笔所连接的管脚是集电极c 红表笔所连接的管脚为发射极e 如图12所示 测PNP管时 只要把图12电路中红 黑表笔对调位置 仍照上述方法测试 3 e b c三个管脚的判断 图12估测 的电路 38 四 单管基本放大电路 由三极管组成的放大电路 其功能是利用三极管的电流控制作用 把微弱的电信号 简称信号 指变化的电压 电流 功率 不失真地放大到所需的数值 实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号 放大电路的实质 是一种用较小的能量去控制较大能量转换的能量转换装置 1 晶体管V 放大元件 用基极电流iB控制集电极电流iC 39 共发射极基本放大电路 2 直流电源UCC放大电路的能源 使晶体管的发射结正偏 集电结反偏 晶体管处在放大状态 提供电流IB和IC UCC一般在几伏到十几伏之间 3 基极偏置电阻RB 为基极提供一个合适的偏置电流IB 使晶体管有一个合适的工作点 一般为几十千欧到几百千欧 4 集电极电阻RC 将集电极电流iC的变化转换为电压的变化 以获得电压放大 一般为几千欧 5 耦合电容或隔直电容Cl C2 用来传递交流信号 起到耦合的作用 同时 又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离 起隔直作用 为了减小传递信号的电压损失 Cl C2应选得足够大 一般为几微法至几十微法 通常采用电解电容器 40 1 ui直接加在三极管V的基极和发射极之间 引起基极电流iB作相应的变化 2 通过V的电流放大作用 V的集电极电流iC也将变 3 iC的变化引起V的集电极和发射极之间的电压uCE变化 4 uCE中的交流分量uce经过C2畅通地传送给负载RL 成为输出交流电压uo 实现了电压放大作用 2 工作原理 41 静态是指无交流信号输入时 电路中的电流 电压都不变的状态 静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q 主要指IBQ ICQ和UCEQ 静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ ICQ和UCEQ 3 静态工作情况 直流通路 耦合电容可视为开路 42 共发射极基本放大电路 43 交流通路 ui单独作用下的电路 由于电容C1 C2足够大 容抗近似为零 相当于短路 直流电源UCC去掉 短接 44 45 从图解分析过程 可得出如下几个重要结论 1 放大器中的各个量uBE iB iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成 2 由于C2的隔直作用 uCE中的直流分量UCEQ被隔开 放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce 且与输入电压ui反相 放大器具有倒相作用 3 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出 负载电阻RL越小 交流负载电阻RL 也越小 交流负载线就越陡 使Uom减小 电压放大倍数下降 4 静态工作点Q设置得不合适 会对放大电路的性能造成影响 若Q点偏高 当ib按正弦规律变化时 Q 进入饱和区 造成ic和uce的波形与ib 或ui 的波形不一致 输出电压uo 即uce 的负半周出现平顶畸变 称为饱和失真 若Q点偏低 则Q 进入截止区 输出电压uo的正半周出现平顶畸变 称为截止失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真 46 47 48 2020 3 20 49 整流 把交流电变成直流电的过程 五晶体二极管整流电路 整流原理 二极管的单向导电特性 二极管单相整流电路 把单相交流电变成直流电的电路 50 V 整流二极管 把交流电变成脉动直流电 T 电源变压器 把v1变成整流电路所需的电压值v2 1单相半波整流电路 1 电路如图 a 缺点 整流效率低 脉动较大 51 2 负载和整流二极管上的电压和电流 4 二极管反向峰值电压VRM 1 负载电压VL 2 二极管正向电流IV和负载电流IOUT IV IOUT UOUT RL UDRM U2 UOUT 0 45U2 52 V1 V2为性能相同的整流二极管 T为电源变压器 作用是产生大小相等而相位相反的v2a和v2b 2单相全波整流电路 变压器中心抽头式单相全波整流电路 1 电路如图 图变压器中心抽头式全波整流电路 53 2 工作原理 A v1正半周时 T次级A点电位高于B点电位 在v2a作用下 V1导通 V2截止 iV1自上而下流过RL B v1负半周时 T次级A点电位低于B点电位 在v2b的作用下 V2导通 V1截止 iV2自上而下流过RL 54 缺点 单管承受的反峰压比半波整流高一倍 变压器T需中心抽头 3 负载和整流二极管上的电压和电流 1 负载电压UOUT 2 负载电流IL 3 二极管的平均电流IV 4 二极管承受反向峰值电压 UOUT 0 9U2 IOUT UOUT RL 0 9U2 RL IV 1 2IOUT UDRM U2 55 3单相桥式全波整流电路 1 电路如图 V1 V4为整流二极管 电路为桥式结构 56 B v2负半周时 如图1 2 4 b 所示 A点电位低于B点电位 则V2 V4导通 V1 V3截止 i2自上而下流过负载RL 图1 2 4桥式整流电路工作过程 2 工作原理 A v2正半周时 如图1 2 4 a 所示 A点电位高于B点电位 则V1 V3导通 V2 V4截止 i1自上而下流过负载RL 57 由波形图1 2 5可见 v2一周期内 两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流i1和i2叠加形成了iL 于是负载得到全波脉动直流电压vL 58 优点 输出电压高 纹波小 较低 应用广泛 3 负载和整流二极管上的电压和电流 1 负载电压UOUT 2 负载电流IOUT 3 二极管的平均电流IV 4 二极管承受反向峰值电压 UOUT 0 9U2 IOUT UOUT RL 0 9U2 RL IV 1 2IOUT UDRM U2 59 五 滤波器 特点 电容器与负载并联 作用 滤除脉动直流电中脉动成分 种类 电容滤波器 电感滤波器 复式滤波器 1 电路 1 电容滤波器 60 2 工作原理 在t2 t3期间 因vC v2 V正偏导通 电容再次充电 波形如图 b 中BC 在t1 t2期间 因v2 vC V反偏截止 电容C通过负载放电 波形如图 b 中AB所示 在0 t1期间 因v2的作用 V正偏导通 电容C充电 波形如图 b 中OA所示 利用电容器两端电压不能突变原理平滑输出电压 61 重复上述过程 可得近于平滑波形 这说明 通过电容的充放电 输出直流电压中的脉动成分大为减小 应用 小功率电源 工作原理与半波整流电路相同 不同点是 v2正 负半周内 V1 V2轮流导通 对电容C充电两次 缩短了电容C向负载的放电时间 从而使输出电压更加平滑 全波整流电容滤波输出波形如图所示 62 缺点 体积大 重量大 图带电感滤波器 2 电感滤波器 1 电路 特点 电感与负载串联 2 工作原理 利用流过电感电流不能突变原理平滑输出电流 当电路电流增加时 电感存储能量 当电流减小时 电感释放能量 使负载电流比较平滑 从而得到比较平滑的直流电压 应用 较大功率电源 63 C 应用 较大功率电源中 3 复式滤波器 结构特点 电容与负载并联 电感与负载串联 性能特点 滤波效果好 1 L型滤波器 A 电路 B 原理 整流输出的脉动直流经过电感L 交流成分被削弱 再经过电容C滤波 就可在负载上获得更加平滑的直流电压 图L型滤波器桥式整流电路 64 2 型滤波器 图 型滤波器桥式整流电路 C 应用 小功率电源中 B 原理 整流输出的脉动直流经过电容C1滤波后 再经电感L和电容C2滤波 使脉动成分大大降低 在负载上可获得平滑的直流电压 A 电路 65 B 当工作电流满足条件时 稳压管两端电压几乎不变 六 硅稳压二极管稳压电路 稳压电路 抑制电网电压和整流电路负载的变化引起的输出电压变化 将平滑的直流电变成稳定的直流电 1 硅稳压二极管的特性 A 稳压管工作在反向击穿状态 图硅稳压管的伏安特性及符号 66 2 稳压管稳压电路的工作原理 C 应用 小功率场合 B 电路的稳压过程 UO IZ IR UR UO A 电路 V为稳压管 起电流调整作用 R为限流电阻 起电压调整作用 图硅稳压管整流稳压电路 67 三 集成稳压器 集成稳压器是指将调整管 取样放大 基准电压 启动和保护电路等全部集成在一个半导体芯片上而形成的一种稳压集成块 集成稳压器的种类很多 作为小功率的直流稳压电源 应用最为普遍的是3端式串联型集成稳压器 3端式是指稳压器仅有输入端 输出端和公共端3个接线端子 如W78 和W79 系列稳压器 W78 系列输出正电压有5V 6V 8V 9V 10V 12V 15V 18V 24V等多种 若要获得负输出电压选W79 系列即可 例如W7805输出 5V电压 W7905则输出 5V电压 这类 端稳压器在加装散热器的情况下 输出电流可达1 5 2 2A 最高输入电压为35V 最小输入 输出电压差为2 3V 输出电压变化率为0 1 0 2 1 三端固定输出稳压器 68 这类产品的封装形式有金属壳和塑料壳两种 它们都有三个管脚 分别是输入端 输出端和公共端 因此称为三端式稳压器 1 CW7800系列是三端固定正压输出的集成稳压器 输出电压有5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V等档次 例如 CW7805表示输出电压为正5V 此系列最大输出电流为1 5A 同类产品 CW78M00系列 0 5A CW78L00系列 0 1A CW78T00系列 3A 和CW78H00系列 5A 69 CW7800系列 正电源 CW7900系列 负电源 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 78 79系列的型号命名 输出电流 78L 79L 输出电流100mA 78M 9M 输出电流500mA 78 79 输出电流1 5A 输出电压 2 CW7900系列是三端固定负压输出的集成稳压器 在输出电压档次 电流档次等方面与78系列相同 引脚排列请查阅手册 70 71 图三端集成稳压器外形及管脚排列 72 型号组成及意义如图所示 图三端固定式稳压器型号组成及意义 73 第九节 晶闸管及其整流电路 晶闸管又称可控硅 SCR 是一种大功率的半导体器件 有普通型 双向型 可关断型和快速型等 其具有体积小 质量轻 效率高 动作迅速等优点 但其过载能力和抗干扰能力差 控制电路也比较复杂 一 晶闸管的结构与符号 图10 1晶闸管结构 外型及符号 它有四层半导体 PNPN 和三个电极 阳极A 阴极K和门极G 74 二 晶闸管的工作原理 1 晶闸管加阳极负电压 UA时 晶闸管处于反向阻断状态 2 晶闸管加阳极正电压UA 控制极不加电压时 晶闸管处于正向阻断状态 3 晶闸管加阳极正电压 UA 同时也加控制极正电压 UG 晶闸管导通 4 要使导通的晶闸管截止 必须将阳极电压降至零或为负 使晶闸管阳极电流降至维持电流IH以下 75 1 晶闸管的导通条件 晶闸管与硅整流二极管相似 都具有反向阻断能力 但晶闸管还具有正向阻断能力 即晶闸管正向导通必须具有一定的条件 阳极加正向电压 同时控制极也加正向触发电压 2 晶闸管的关断条件 晶闸管一旦导通 控制极即失去控制作用 要使晶闸管重新关断 必须做到以下两点之一 一是将阳极电流减小到小于维持电流IH 二是将阳极电压减小到零或使之反向 76 三 晶闸管的主要参数 1 电压参数 1 正向重复峰值电压UDRM正向阻断峰值电压UDRM 指控制极断开时 允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压 2 反向重复峰值电压URRM反向阻断峰值电压URRM 指允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压 3 额定电压UD通常把UDRM和URRM中较小的一个值称作晶闸管的额定电压 77 4 通态平均电压UT习惯上称为导通时的管压降 这个电压当然越小越好 一般为0 4V 1 2V 2 电流参数 1 通态平均电流IT通态平均电流IT简称正向电流 指在标准散热条件和规定环境温度下 不超过40oC 允许通过工频 50Hz 正弦半波电流在一个周期内的最大平均值 2 维持电流IH维持电流IH 指在规定的环境温度和控制极断路的情况下 维持晶闸管继续导通时需要的最小阳极电流 78 五 晶闸管的应用 1 晶闸管交流开关图10 5 a 所示是用两只普通晶闸管V1和V2反向并联而组成的交流调压电路 其调压原理如下 a 电路图 b 波形图图1晶闸管交流调压 79 1 电源电压u的正半周 在t1时刻 t1 又称控制角 将触发脉冲加到V2管的控制极 V2管被触发导通 此时V1管承受反向电压而截止 当电源电压u过零时 V2管自然关断 2 电源电压u的负半周 在t2时刻 t2 180o 将触发脉冲加到V1管的控制极 V1管被触发导通 此时V2管承受反向电压而截止 当电源电压u过零时 V1管自然关断 负载上获得的电压波形如图1 b 所示 调节控制角 便可实现交流调压 当控制角 0o时 即为交流开关 分析 80 1 单相半波可控整流电路 六 晶闸管整流电路 81 82 分析 1 在电角度0 a范围内 虽然晶闸管的阳极电压为正 但它仍处在正向阻断状态 在a 的范围内 晶闸管处于导通状态 2 a称为控制角 称为导通角 a变化范围称为移相范围 3 a角在0 180 之间变化时 输出电压uL便在0到最大值之间连续变化 这就是可控整流的意义 4 输出电压的平均值为 UL 0 45U2 1 cosa 2 负载中流过的平均电流为 IL UL RL 晶闸管承受反向电压为 5 单相半波可控整流电路简单 调整方便 但输出的直流电压脉动大 只适用于对直流电压的质量要求不高的小功率可控整流设备 83 2 单相半控桥式整流电路 84 85 分析 1 u2正半周时 a点电位高 b点电位低 晶闸管V1和二极管VD2承受正向电压 当晶闸管加入触发脉冲时 V1导通 电流回路为 a V1 RL VD2 b 2 u2为零时 V1因正向电流小于维持电流而自行关断 电流为零 3 u2负半周时 a点电位低 b点电位高 晶闸管V2和二极管VD1承受正向电压 当晶闸管加入触发脉冲时 V2导通 电流回路为 b V12 RL VD1 a 4 输出电压为 UL 0 9U2 1 cosa 2 每只晶闸管承受的反向电压为 IV 1 2 IL 86 另一种单相桥式可控整流电路 87 七 单结晶体管 1 单结管结构与特性单结管结构示意图如图2 a 所示 图2单结